基于微结构纳米复合薄膜的超灵敏柔性压力传感器

日期:2022-08-01 阅读:428
核心提示:柔性压力传感器是可穿戴设备中最重要的组件之一,其灵敏度、工作范围和稳定性是影响传感器性能的关键因素。已有研究证明,在柔性
柔性压力传感器是可穿戴设备中最重要的组件之一,其灵敏度、工作范围和稳定性是影响传感器性能的关键因素。已有研究证明,在柔性压力传感器中引入微结构可以有效地提高其传感性能。不过,目前微结构薄膜在工艺和性能等方面仍存在一些挑战,有必要开发一种可以灵活改变微结构形状、大小和间距的方法,以提高微结构的可调节性和准确性。
 
据麦姆斯咨询报道,近日,西安建筑科技大学机电工程学院的研究人员提出一种基于微结构纳米复合薄膜(MCNF)的超灵敏柔性压力传感器,在较宽的测量范围内具有高灵敏度和稳定性,既能检测微小压力信号(手腕脉搏),也能检测较大的压力信号(手指按压和鼠标点击)。凭借其设计简单、成本低、一致性高等优势,该MCNF柔性压力传感器有望适用于各种可穿戴设备和潜在应用。相关研究成果已发表于Micromachines期刊。
 
在本论文中,研究人员提出一种简单易复制的柔性压力传感器制造方法。首先,采用机械有限元法(FEM)研究了微观结构尺寸参数对传感器性能的影响,并对相关参数进行了优化。接着,使用印刷电路板(PCB)基材模压多壁碳纳米管/聚氨酯(MWCNT/PU)导电复合材料制备出活性层。最后,通过将活性层和叉指电极相结合制备出MCNF柔性压力传感器。
 
MCNF柔性压力传感器的制备工艺
 
通过一系列对比试验,研究人员验证了该MCNF柔性压力传感器具有高机械稳定性和长期耐用性。其可靠性归因于板条微结构的结构稳定性、PU基板的机械柔性以及鲁棒性。由于板条微结构的宽间距比越小,对应的MCNF柔性传感器应变率越大,响应灵敏度越高,而MCNF接触面积变化率越大,其变形越容易,压阻响应越敏感。因此,在对MCNF施加压力的过程中,其独特的微结构能够显著增加MCNF和叉指电极之间的接触面积,从而有效提高传感器的灵敏度。
 
 
MCNF柔性压力传感器的传感性能。(a)有无微结构传感器的压力响应。(b)相同MWCNT含量、不同微结构MCNF传感器的压力响应。(c)垂直平行放置于电极的MCNF传感器的压力响应。(d)对比文献研究与本研究传感器的敏感度和工作范围。
 
 
MCNF柔性压力传感器的循环加载实验结果:模型−A循环加载(a)0–1 N和(b)0-5 N;(c)模型−A和(d)模型-E在0–10 kPa循环载荷下的压阻响应曲线。
 
该MCNF柔性压力传感器具有良好的传感性能,可用于检测多种人类活动引起的压力变化。基于其在低压和中压范围内具有出色的线性度和灵敏度,可用于实时检测来自手腕动脉的脉搏信号。此外,在检测手指按压和鼠标点击等大压力信号时,该传感器也表现出高稳定性和灵活性。
 
 
 
MCNF柔性压力传感器在实时监测人体活动中的应用:(a)手指按压;(b)鼠标点击;(c)实时脉搏检测;(d)脉搏振动波形。
 
综合而言,该MCNF柔性压力传感器具备高灵敏度、宽工作范围和高灵活性,在微小压力和大压力检测方面均具有显著优势,可有效用于人体生理实时监测。凭借其低成本、设计简单、一致性高等优势,该MCNF柔性压力传感器有望在可穿戴设备、人机界面等领域展现巨大的应用潜力。
 
论文链接:https://doi.org/10.3390/mi13081164

(来源: MEMS)
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